[发明专利]石墨烯纳米带电阻器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体领域，特别涉及一种石墨烯纳米带电阻器及其制作方法。

背景技术

集成电路沿着摩尔定律发展，对器件和系统性能的要求越来越高；除了按比例缩小提高器件速度和芯片性能外，还需要提高芯片的功能，以满足市场对芯片功能的需求；其中将无源器件和有源器件集成在同一块芯片上变得越来越重要。尤其随着SOC、RF等电路的发展，高集成度、高精度和高可靠性的无源器件——电阻已经得到了众多设计公司和芯片制造商的关注。在芯片上集成电阻大致包括采用掺杂形成隐埋层电阻、MOS器件特殊连接、多晶硅电阻和金属薄膜电阻。

现有薄膜电阻技术中，一般使用PVD或CVD成膜技术以及离子注入工艺技术生成电阻薄膜，然后图形化形成电阻图形。然而，PVD和CVD成膜工艺以及离子注入工艺往往具有很大的工艺不均匀性问题，包括硅片内薄膜厚度和材质的不均匀性，以及硅片间的不均匀性，以多晶电阻为例，其标准工艺提供的电阻阻值变化范围一般在百分之十几，这给电路设计者带来很大的设计困难，会带来一系列包括不匹配(mismatch)等问题。同时无论是多晶电阻还是金属电阻，很难实现高阻值小面积的电阻结构，为了实现高阻值电阻，往往需要非常大的面积，给设计者带来增加的芯片面积和成本。同时，电路设计者往往需要一些标准电阻，由于现有多晶和金属电阻技术无法提供这种高精度电阻，设计者往往需要外接一个标准电阻来实现对电路的校准，这无疑又带来增加的成本和设计难度。

石墨烯是一种新颖的材料，它其实是单原子层的石墨，是指由单层碳原子组成的六角型蜂巢晶格平面单层薄膜，是由一个碳原子层厚度组成的二维材料。而石墨烯纳米带则是带状石墨烯，或者可以理解为展开的单壁碳纳米管，或者图形化后的石墨烯结构。石墨烯材料具有非常优异的性能，包括高载流子迁移率、高电流密度、高机械强度、高热传导性能等。

石墨烯纳米带材料同时具备了石墨烯材料的优异特性和独特性能，包括：

1、高电导特性：有报道称其平均自由程可以有几百纳米，高电子迁移率近几个微米；多层石墨纳米带的并联能大幅降低电阻，改善性能，小尺寸特性优于铜

2、抗电迁移性能优越：其相邻碳原子依靠SP2价键形成键合，机械强度和抗电迁移特性非常优越10E9A/cm²对比与Cu的10E6A/cm²

3、热导性能更优越：单层石墨烯的热导有报道为5300W/mK。

4、电阻率随不同石墨烯纳米带(GNR)边缘状态可以由半导体变化为导体，如图1所示，其锯齿型(Zigzag)边缘结构1为导体，而扶手型(armchair)边缘结构2则是半导体。

由于石墨烯纳米带为单层碳原子结构，其电阻率紧随不同边缘情况而改变，而不受薄膜厚度均匀性、材质均匀性等传统电阻形成工艺的影响，故而可以制作高精度电阻。同时，由于石墨烯纳米带电阻率可以随不同石墨烯纳米带的边缘情况而由导体变化为半导体，因而可以得到高电阻率的电阻，且占用面积非常小。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯纳米带电阻器及其制作方法，以制造出高精度阻值的电阻器；同时减小占用面积。

本发明的技术解决方案是一种石墨烯纳米带电阻器，包括石墨烯纳米带以及与石墨烯纳米带相连接的下层铜互连和上层铜互连，所述下层铜互连包括互连介质和金属铜，其特征在于：所述石墨烯纳米带具有第一图形和连接第一图形的第二图形，所述第一图形覆盖下层铜互连的金属铜；所述第二图形呈蛇形结构。

作为优选：所述石墨烯纳米带的第二图形的横向边界具有锯齿型或扶手型边缘结构，竖向边界具有锯齿型或扶手型边缘结构，通过调节石墨烯纳米带的第二图形的横向和竖向不同边缘结构的长度比例来调节电阻值。

作为优选：所述石墨烯纳米带的电阻率通过掺杂或离子注入来调节。

作为优选：所述石墨烯纳米带第一图形的边缘到下层铜互连的金属铜边缘的距离为0.01-0.5微米。

本发明还提供石墨烯纳米带电阻器的制作方法，包括以下步骤：

在硅衬底上采用大马士革工艺形成下层铜互连，所述下层铜互连包括互连介质和金属铜；

将带有SiC衬底的石墨烯薄膜键合到下层铜互连上，使石墨烯薄膜覆盖下层铜互连；

去除大部分SiC衬底；

刻蚀SiC衬底和石墨烯薄膜形成石墨烯纳米带，所述石墨烯纳米带具有第一图形和连接第一图形的第二图形，所述第一图形覆盖下层铜互连的金属铜；所述第二图形呈蛇形结构。

在上述结构上采用大马士革工艺形成上层铜互连。